El gemelo digital de los materiales fotovoltaicos

Los avances en el campo de las energías renovables no paran de sucederse. Ahora conocemos el caso de un gran avance en la investigación sobre la solar fotovoltaica. Se trata del primer gemelo digital de los materiales fotovoltaicos. Una nueva tecnología que puede acelerar el desarrollo y la comercialización de paneles solares de nueva generación.

¿Qué es un gemelo digital y para qué sirve?

Antes de explicar el avance aplicado a la fotovoltaica, es importante tener claro el concepto de gemelo digital, y para qué se usa. Así, los gemelos digitales se utilizan en ingeniería para definir equivalentes virtuales de activos físicos existentes. Son conceptualmente distintos de las simulaciones multi-escala y suelen utilizarse para evaluar el estado actual y futuro de los activos físicos mediante sensores y modelos físicos en tiempo real.

Es decir, son como maquetas o simulaciones virtuales que ayudan a determinar el comportamiento, funcionamiento y rendimiento de un producto, construcción, componente o máquina, de forma simulada y reduciendo sensiblemente los costes. De esta forma no se llega a desarrollar ningún prototipo hasta que su simulación no sea satisfactoria, garantizando que dicho prototipo cumpla un mínimo de requisitos o especificaciones, siendo como un primer producto.

¿Cómo es el gemelo digital aplicado a la fotovoltaica?

Varios investigadores alemanes de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg de Alemania, han desarrollado un gemelo digital para materiales fotovoltaicos. Esta investigación ha sido recientemente publicada en la revista “Joule” con el título “A digital twin to overcome long-time challenges in photovoltaics“ (Un gemelo digital para superar los antiguos retos de la fotovoltaica).

Este avance puede contribuir a aumentar la frecuencia de nuevos e importantes descubrimientos en la industria y la investigación en el campo de la solar fotovoltaica.

Al igual que sucede con las nuevas técnicas de investigación médica para el desarrollo de vacunas con mayor rapidez y efectividad, el diseño del gemelo digital fotovoltaico combina el aprendizaje automático y los modelos físicos utilizados en ingeniería. De esta forma, este gemelo digital para materiales fotovoltaicos va a permitir acelerar la innovación en la industria de fabricación de estos materiales.

Según explica Ian Marius Peters, uno de los investigadores que ha contribuido al desarrollo del gemelo digital para materiales fotovoltaicos, han intentado conectar la experimentación de alto nivel con la teoría. Así, y según sus palabras, el gemelo digital concreto que querían desarrollar va más allá de una mera representación de la infraestructura experimental que se dispone. En realidad, se convierte él mismo en parte de esa representación.

El reto que han querido afrontar es poder idear materiales totalmente nuevos para aplicaciones fotovoltaicas, desde el diseño molecular hasta la célula solar integrada. Para lograrlo, todo el proceso de investigación y desarrollo de una celda fotovoltaica se hace de forma “virtual”. Para un desarrollo con las técnicas actuales, los investigadores deben realizar todos los procesos en un laboratorio físico.

En cambio, con un gemelo digital para materiales fotovoltaicos, el proceso de clasificar muchas moléculas, condiciones de procesamiento, apilamientos de capas y condiciones de funcionamiento diferentes, se realiza de forma mucho más rápida y sin necesidad de todos los procesos tangibles que hasta ahora.

Proceso de desarrollo del gemelo digital para materiales fotovoltaicos

La necesidad de acelerar los procesos de investigación, desarrollo e implementación de nuevos materiales y técnicas hace necesario desarrollar nuevas técnicas. Es por ello que se han ido impulsando las llamadas Plataformas de Aceleración de Materiales (MAP). En estas plataformas se diseñan los experimentos separando estratégicamente el espacio experimental en subespacios conectados, pero más fácilmente tratables.

Por lo general, las plataformas de aceleración de materiales funcionan según indica la siguiente imagen, en la que se plasman las diferentes teorías de investigación aplicadas al proceso de creación de materiales.

La búsqueda de descubrimientos disruptivos en materia de sólidos desordenados, que son la base de las tecnologías en fotovoltaica, se basa en tres aspectos:

1.- Gestión del tiempo y la energía de los estados electrónicos.

Controlando la interacción entre los diferentes materiales. Aspecto especialmente importante en el campo de los procesos de multi-fotones para la fotovoltaica.

2.- Control de la microestructura.

Para maximizar el rendimiento optoelectrónico de los semiconductores, es muy importante controlar la formación de las nanoestructuras de los materiales fotovoltaicos.

3.- Estabilidad del dispositivo.

A nivel macroscópico, la estabilidad ambiental es clave para el éxito comercial, pero también para cumplir con la promesa de eficiencia y sostenibilidad.

Así, el proceso para el diseño del Gemelo Digital para Materiales Fotovoltaicos integra conocimientos estructurales y físicos. Por ello se diseñó el siguiente esquema, en el que se define al nuevo proceso de investigación y desarrollo. En él, se definen diferentes capas de trabajo, que los investigadores de este estudio han definido como áreas.

• Área blanca: activo físico, con vías causales del Grafo dirigido acíclico, que muestra las relaciones causales necesarias para lograr una capacidad predictiva cuantitativa y generalizada, lo que permite realizar el diseño inverso molecular.
• Área azul claro: modelos físicos y características esenciales.
• Área azul oscuro: algoritmos que interactúan de manera autónoma con modelos y datos, mejorando la capacidad predictiva.

Con este esquema de trabajo, se va a permitir una aceleración decisiva en las implementaciones de las Plataformas de Aceleración de Materiales, por lo que se espera que las innovaciones en el campo de la ciencia de materiales aplicada a la fotovoltaica sean mucho más rápidas que hasta la fecha.

Esto, según aseguran los investigadores responsables de este método, va a asegurar que la evolución en el campo de la fotovoltaica sea mucho más rápida que en la actualidad. Así, se podrán desarrollar celdas fotovoltaicas mucho más eficientes y al mismo tiempo con un proceso de reciclaje mucho más sencillo que las actuales.

Con ello se pretende garantizar una evolución en la forma de generar energía, para desterrar definitivamente a las energías basadas en combustibles fósiles, e incluso a la energía nuclear.

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